Алгоритмы и программы автоматизированного проектирования вертикальной планировки незастроенных участков

ВВЕДЕНИЕ

Проектом вертикальной планировки называется технический доку-

мент, предусматривающий преобразование рельефа для инженерных целей с учетом различных технических, экономических, гидрологических и других факторов [1].

Оптимальное проектирование вертикальной планировки на топографическом плане стремятся выполнить с максимально возможным сохранением естественно сложившихся форм рельефа, соблюдением минимума объемов земляных масс в выемках (срезах) и насыпях и обеспечением минимального расстояния перемещения грунта.

В состав проекта вертикальной планировки включают два рабочих чертежа: план организации рельефа и план земляных масс [2]. При разработке плана организации рельефа (рис.1) естественную поверхность называют фактической, а преобразованную проектной. Проектные и фактические отметки наносят на план в виде дроби с проектной отметкой в числителе и фактической – в знаменателе. Разность проектной и фактической отметок называют рабочей отметкой. Положительные рабочие отметки определяют высоту насыпи, отрицательные – глубину выемки. Точка, для которой рабочая отметка равна нулю, называется точкой нулевых работ. Геометрическое место этих точек образует линию нулевых работ.

Проектирование вертикальной планировки выполняют после разработки генерального плана расположения зданий и сооружений. В начале проектирования анализируют рельеф на участках предполагаемой застройки с позиции возможности отвода поверхностных вод и устройства канализации. Оценивают величину и направление существующих уклонов по проездам. Иногда корректируют проект горизонтальной планировки для достижения допустимых уклонов проездов в пределах от 5‰ до 80‰ и приемлемой высоты срезки или насыпи. Принимают решения об устройстве на отдельных участках ливневой канализации.

За основу разработки высотной организации территории застройки принимают общую схему улично-дорожной сети, на которой решены вопросы высотной увязки и расположения площадей, пересечений магистральных улиц, мостов, путепроводов, а также определены направления сброса поверхностных вод и расположение водосточных коллекторов.

Процесс проектирования вертикальной планировки отдельных участков можно представить в виде следующего алгоритма:

1.Высотная привязка отдельных зданий и площадей с определением объемов грунта, вытесняемого фундаментами и подвалами;

2.Составление профилей по характерным направлениям;

3.Преобразование рельефа методом проектных горизонталей по опорным отметкам проездов, составление плана организации рельефа;

3

4.Разработка плана земляных масс с учетом грунта от устройства фундаментов и подвалов зданий, корыта под одежду дорог и площадок, подземных сетей;

5.Вычисление поправок к проектным отметкам участка планировки, обеспечивающих баланс объемов выемки и насыпи;

6.Корректировка проектных отметок и уклонов и окончательное оформление планов организации рельефа и земляных масс.

1. РАЗРАБОТКА ПЛАНА ОРГАНИЗАЦИИ РЕЛЬЕФА

План организации рельефа составляется на крупномасштабном топографическом плане участка или копии генерального плана планировки и застройки. На примере рельефа участка местности (рис.1) рассмотрим способ проектирования рельефа под наклонную плоскость с продольным уклоном i1 = 0,005 (5‰), поперечным – i2 = 0,010 (10‰) для организации поверхностного водостока и условия обеспечения баланса объёмов земляных масс в выемке и насыпи. Работу выполняют в следующей последовательности:

1.На топографическом плане выбирают участок для вертикальной планировки в виде прямоугольника с размерами 80×120 м, разбивают его на квадраты со сторонами 40 м и определяют фактические отметки их вершин.

2.Определяют среднюю фактическую отметку участка (отметку центра тяжести) по формуле

где Н0 - минимальная из фактических отметок вершин квадратов, округленная в сторону уменьшения до метров;

h1, h2, h4 - отклонение от Н0 отметок вершин , принадлежащих соответственно одному, двум или четырём квадратам.

Свойство отметки центра тяжести НЦТ заключается в том, что любая плоскость (кроме вертикальной), проходящая через эту отметку, обеспечивает на участке баланс объёмов земляных масс в насыпи и выемке.

3. Записывают полученную среднюю отметку на топографическом плане в центре участка. Вычисляют проектные отметки вершин квадратов с учетом расстояний между ними и заданных уклонов. Сначала получают проектные отметки вершин квадратов , расположенных рядом с центром участка. Например:

4

2. СОСТАВЛЕНИЕ ПЛАНА ЗЕМЛЯНЫХ МАСС

Объёмы земляных масс в каждом контуре выемки и насыпи определяют на плане земляных масс, составленном по данным плана организации рельефа в том же масштабе. На плане земляных масс (рис.2) в каждом квадрате показывают рабочие отметки, линии нулевых работ и объёмы грунта выемки и насыпи с округлением до целых метров кубических.

Иногда здесь же указывают направление перемещения грунта из выемки в насыпь, объём грунта в откосах, площади контуров, использованные при определении объёмов земляных работ по сохранению и восстановлению плодородного слоя почвы.

Объём земляных масс в пределах каждого квадрата или другой фигуры (неполного квадрата), образованной линией нулевых работ, определяется по формуле

hr - рабочие отметки в углах фигуры, n - число углов фигуры.

При величине рабочих отметок, не превышающей 0,8 м, объёмы земляных масс в пределах каждого квадрата можно вычислить по формуле Стрельчевского В.И.

где hВ(Н) - сумма рабочих отметок выемки (насыпи),

h - сумма всех рабочих отметок в пределах одного квадрата без учета знаков.

Вычисления по этой формуле для плана земляных масс, изображенного на рис 2, выполнены в таблице 1.

Контролем результатов вычислений является полученная разность объёмов земляных масс (дебаланс)

V VН VВ 1074 1046 28м3,

которая не должна превышать допустимую величину, вычисленную по формуле

Vдоп. h P 0,005 9600 48м3,

где h – предельная погрешность округления рабочих отметок (отметки центра тяжести), равная 0,005 м, Р – площадь участка планировки в м2.

7

Таблица 1

Расчеты при вертикальном проектировании вертикальной планировки могут быть выполнены при помощи персональных компьютеров. Программы для автоматизированного вычисления составлены на языках Бейсик, Фортран, Tурбо Паскаль (приложение А) и предусматривают преобразование рельефа под горизонтальную или наклонную плоскость при условии обеспечения баланса объёмов земляных масс в выемках и насыпях.

Исходная топографическая поверхность участка представляется для проектирования двумерным массивом фактических отметок вершин квадратов. При вводе исходных данных указываются размер массива по строкам и столбцам, проектные продольные и поперечные уклоны, длина сторон квадратов.

Основными этапами при автоматизированном проектировании вертикальной планировки незастроенного участка местности прямоугольной формы с целью организации поверхностного водостока и обеспечения баланса объемов земляных масс в выемке и насыпи являются:

1. Определение средней фактической отметки участка (отметки центра тяжести)

где Hi,j – фактические отметки вершин квадратов с номерами по строкам (i)

ипо столбцам (j), изменяющимися от 1 до M и N соответственно;

2.Вычисление проектных отметок вершин квадратов с учетом расстояний между ними и заданных уклонов,

Hi, j Hср. 2J N 1 I1 а/2000 2 i M I2 а/2000,

где a – длина сторон квадратов, I1 и I2 - продольный и поперечный уклоны (в промиллях);

3. Вычисление рабочих отметок как разность между проектными и фактическими отметками,

hi, j Hi, j Hi, j ;

8

4. Подсчет объемов земляных масс в пределах каждого квадрата по формуле В. И. Стрельчевского

где Σhв(н) – сумма рабочих отметок выемки (насыпи);

Σ|h| – сумма рабочих отметок в пределах одного квадрата без учета знаков;

5.Вычисление суммарных объёмов земляных масс на участке;

6.Определение координат центров тяжести контуров выемок и насы-

пей;

7. Определение средневзвешенного расстояния перемещения грунта с выемок в насыпи по формуле

Dср. ХН ХВ 2 УН УВ 2 ,

где ХН, ХВ,УН ,УВ – условные координаты центров выемки и насыпи.

В случае, когда выемки и насыпи составляют несколько контуров, то средневзвешенное расстояние определяется по формуле

где Vι – объем земляных масс в выемках в каждом квадрате;

dι – расстояние между центрами соответствующих квадратов выемок и насыпей;

Сметная стоимость земляных работ, которые включают срезку плодородного слоя почвы с перемещением во внешние отвалы, разработку грунта в выемках с перемещением его в насыпи, разравниванием грунта и т.д., зависит в основном от того, какими машинами выполняются эти работы. Машины (бульдозеры, скреперы, грейдеры) выбираются в соответствии с объемом, механическим составом и влажностью грунта, со сложностью рельефа, с размером планируемой площадки, с дальностью транспортировки грунта и т.д. Cметную стоимость земляных работ по перемещению грунта с выемки в насыпи бульдозером ДЗ-17 мощностью 96 кВт в ценах 1991 года можно выразить следующей формулой

S VВ К1 Dср. 10 /10 К2 ,

где K1 – сметная стоимость перемещения грунта на 10 метров,

К2 – сметная стоимость перемещения грунта на последующие 10 мет-

ров.

Стоимость перемещения плодородного слоя почвы Sпл.сл. за пределы планировочных работ находится по аналогичной формуле. Общая сметная стоимость

9

SS Sпл.сл.

8.Определение объема и дальности двукратного перемещения плодо-

родного слоя почвы, который предварительно срезается и временно складируется во внешних отвалах за пределами контуров выемок и насыпей;

9. Расчет сметной стоимости земляных работ без учета накладных расходов и плановых накоплений;

10.Составление рабочих планов-схем организации рельефа и земляных масс;

11. Вычисление общих и удельных показателей вертикальной планировки.

Алгоритмы разработанных программ являются в некотором смысле имитацией действий, составляющих технологию ручного проектирования.

Врезультате вычислений по программам получают:

–план организации рельефа в виде таблицы со стандартной формой записи рабочих, проектных и фактических отметок;

–план земляных масс с указанием выемки и насыпи в каждом квадра-

те;

–основные технико-экономические показатели проекта, включающие средневзвешенное расстояние перемещения грунта с выемки в насыпь, объем восстанавливаемого на поверхности плодородного слоя почвы, сметную стоимость земляных работ.

Тексты программ, исходные данные для конкретного участка и результаты вычислений приведены в приложении А.

Впрограммах приняты следующие обозначения:

PO - общая площадь участка планировки;

I1,I2 - продольный и поперечный проектные уклоны (в промиллях); LK - длина стороны квадратов;

VSV - объем выемки;

VSN - объем насыпи;

A[i,j] - матрица фактических отметок размером MxN; M - число строк;

N - число столбцов;

AS - отметка центра тяжести участка; B[i,j] - матрица проектных отметок; H[i.,j] - матрица рабочих отметок;

AV[i,j], AN[i,j] - объемы земляных масс выемки и насыпи в пределах одного квадрата.

10